基于云服务的交通量计算系统的设计

冯惠英，林宇洪

(1.福建林业职业技术学院 人文社科系，福建 南平 353000;2.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

基于云服务的交通量计算系统的设计

冯惠英1，林宇洪2

(1.福建林业职业技术学院 人文社科系，福建 南平 353000;2.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

为了提高交通量数据采集与计算能力，基于云服务设计了一个交通量计算系统，集中处理全市交通量数据.应用了Windows Mobile智能设备开发技术编写了手机端交通量计数器程序，通过3G网络实现了交通量原始数据的上传.在云服务中心，应用了Excel VBA二次开发技术生成了各种统计图表，调查员在工作中，随时可下载统计图，了解交叉口的实时交通流量、流向等数据.实践证明，该交通量计算系统扩展性良好，能应对大城市交通量计算需求，能够推进智慧交通、智慧城市的建设.

云服务;交通量;Windows Mobile;VBA

0 引言

交通量处理是对调查获得的原始交通量数据通过复杂的计算与分析后，获得高峰小时流量流向图、交通量时量变化图、分车型流量比例表，从而分析交通量时空变化及分布规律，为交通规划、交通控制提供依据[1].交通量处理的计算量较大，科研机构通常采用专业软件来完成，例如TransCAD.TransCAD将交通量计算分析、交通需求预测与GIS系统相结合[2- 3]，功能强大，但是软硬件成本高，操作难，因此基层人员较少使用此类专业软件.基层往往希望能使用轻量级、便携、操作简单的分析软件，基于此需求，课题组基于云服务架构开发了一套交通量计算系统.

1 云服务架构的设计

1.1 研究现状

学术界在交通量计算与分析领域展开了广泛、深入的研究.长沙理工大学胡立辉等人开发了“公路交通量调查数据处理系统”，应用TCP/IP传输协议实现了交通量的传递，应用SQL Server存储交通量数据，应用Visual CJHJ.net计算，输出Excel格式报表[4]；福建农林大学丁艺应用Visual FoxPro(VFP)进行交通量的计算与分析，并在福清市“畅通工程”规划中投入了使用[5]；衡阳市公路管理局欧阳伟实现了不同公路的交通量时变图的统计学分析[6].以上研究均属于非实时计算的数据处理方式，即调查员采集全部交通量数据后，提交给系统分析，获得分析结论.

“智慧交通”要求建立道路交通信息实时监测网络，实时分析交通量，及时调整疏导策略、优化红绿灯配时、调配警力[7]，因此传统的非实时计算方法已不能满足基层需求.

1.2 架构设计

课题组尝试应用云服务理念，把计算进程提升至云端[8]，对调查端的软硬件、操作技能的要求均降低，以方便一线人员的使用[9].

基于云服务理念，设计系统架构如图1所示.编写手机端交通量采集程序，调查员在现场对车辆按车型计数，每个调查周期结束后，手机端后台进程自动通过3G网络上传本周期的车辆数据，并清空本周期各车型现有数量，开始下一轮的计数工作.云服务中心接收到本周期各调查点发来的交通量采集数据，存入SQL SERVER数据库，并随机指定一台计算服务器完成一个交叉口的计算分析工作.计算服务器调用Excel的VBA功能生成分析图表，并将统计图导出为JPG格式的图片，存至数据库[10].各调查点可以通过手机下载统计图，实时获得各交叉口的分析结论.

图1 系统架构图

2 手机端开发

选择Microsoft Visual Studio 2008的C#.net开发工具，新建Windows Mobile“智能设备”项目，编写“交通量采集”手机端程序，提供“计数”、“下载”、“设置”三项功能.

每位调查员负责观察城市干道的交叉口的1个路口，通过计数界面采集原始的交通量数据.其中调查周期、调查车型、交通流向参数根据路口的实际情况可任意设置.

计数界面见图2，调查员观察途经车辆的车型，点击对应车型按钮.程序按调查周期向云服务中心的IP地址的指定端口发送各车型的数量，每周期结束时，清空数据，开始新的一轮计数.以图2数据为例，向云服务中心上传的TCP/IP数据包内容为“20121207068,3,075953,2,4,3,0,0,0,0,2,3,0,0,0,18,31,22,2,4,3,0,0,0,0,0,0,”，其格式为“调查任务编号,观察位置的道口编号,当前时间,(各方向、各车型数量)”，其含义是“第20121207日的第068个调查任务，本调查员处在交叉口的3号道口，周期结束时间为07∶59∶53，本周期大型客车左转2辆、直行4辆、右转3辆，……”.云服务中心收到该数据包后，返回“20121207068,3,075953,OK”，表明数据已接收.若云端未回应，手机端每隔10 s重发一次.

图2 交通量采集

3 云端的开发

云服务中心申请固定IP：59.79.234.249，向外网开放端口86.在通讯服务器上应用Socket控件编写监听程序，收集各调查员上传的交通量数据，存入SQL SERVER数据库.某交叉口的全部路口当前周期的数据包接收完毕后，通讯服务器将随机指派一台计算服务器承担该交叉口该周期的计算工作.计算服务器按指令顺序，逐个完成计算任务，生成相应的统计图表.统计图表按调查任务编号命名，回存至数据库，供各调查员下载阅读.

3.1 数据流分析

按数据流向及计算过程绘制数据流图(图3).数据处理阶段分为两个层次，第一个层次为路口数据处理阶段，第二个层次为交叉口数据处理阶段，最后获得一系列分析图表.

3.1.1 生成VEH表

一个交叉口的多个路口手机端上传的本周期实时数据转换为“15 minVEH表”，形成了整个数据流的数据源.VEH表指车辆观测数量按调查周期记录的原始数据表.表中的调查时段、调查车型、调查周期根据不同城市特点作适当调整.

3.1.2 单路口计算阶段

将VEH表相邻4个周期数值相加，取最大峰值获得“单路口高峰小时VEH表”.将VEH表按小时累加生成“单路口流量流向小时VEH表”，并按车型系数折算成“单路口小时PCU表”.将VEH表各数值按相应车型系数换算成标准车型数值，并求出每15 min时段各标准车型数值之和，得到15 min PCU折算值，建立“单路口15 min PCU表”.将这个表中的连续4个15 min的数值相加，选取其最大值即得“单路口高峰小时PCU表”.PCU表指各车型观测值按车型系数换算后成标准车型数值的计算数据表.

3.1.3 交叉口计算阶段

NCA中变换矩阵A的获取是通过优化留一法交叉检验,并通过优化留一法优化NCA分类结果.在优化过程中,通过约简维数以减少计算复杂度.

以十字交叉口为例，将四个路口的“单路口高峰小时VEH表”汇兑，计算获得“交叉口高峰小时流量流向表”，计算获得可得“交叉口各车型交通构成表”，再计算获得“原始车型流量比例表(VEH/h)”.将四个路口的“小时PCU计算表”交叉计算“交叉口流量流向表”、“交叉口时量分布表”，最后根据“交叉口时量分布表”绘制“交叉口时量变化图”.

图3 交通量计算数据流图

3.2 软件开发

通讯服务器的监听程序采用Microsoft Visual Studio 2008的C#.net开发，该语言的网络通讯功能较强.监听程序采集手机端上传的交通量调查数据，并存入数据库.通讯服务器还承担分解、分配计算任务的工作.计算服务器的计算程序选择Microsoft Visual FoxPro 9.0开发，按通讯服务器给出的指令顺序完成计算任务，调用Excel的VBA二次技术生成各种统计图表，压缩为JPG图片.可以脱机阅读和传送，便于手机端下载查阅.

由图3可见，交通量计算软件的计算过程是对调查获得原始数据进行矩阵计算和矩阵变换.因为各交叉口的路口数、车型、时段、调查周期不同，因此不能预见矩阵维数.常见的表达矩阵的开发方法有：数据表、数组、电子表格.其中电子表格最适合表达不可预见维数的矩阵.而Excel是电子表格类软件代表，具有VBA二次开发的能力.所以选择VFP对Excel进行VBA宏编程[11]，从而动态完成交通量计算和分析.

Excel提供强大的统计图二次开发功能，充分利用该项功能能降低统计分析模块的难度.云服务系统自动生成的统计图如图4所示.

图4 交通量分析图

4 系统应用

在南平交警支队的支持下，系统投入了试用.应用表明，手机端消耗的3G流量小，申请每月5元30 MB的3G流量包，已可满足需求.在通讯高峰时段18～20时，3G数据包会滞后或丢包，滞后通常小于8 s，丢包率小于3.8%.手机端在服务端未回应时，每隔10 s重发上周期的数据包，因此计算结果最大滞后控制在40 s以内，影响不大.系统能够为临时手动调整红绿灯配时、制定应急疏导分流策略提供参考依据.

云服务架构在交通量计算中具有以下优势：①计算能力可弹性调整.“云”的规模可以动态伸缩，初期计算量小，两台服务器即可满足需求.投入实用后，计算压力增大，通过简单地添加服务器就能提高云端的计算能力;②实现了虚拟化.手机端不承担实质性的计算工作，只需提交调查数据并下载计算结果.因此可选择价格低廉的硬件，甚至形成了一个手机实时处理整个城市海量数据的假象;③保证了高可靠性.在传统架构中，计算负荷集中在一台服务器上，服务器损坏则意味着交通控制系统的瘫痪.而在云服务架构中，繁忙或无响应的服务器不会被分配任务，有效地均分了负荷，保证了较高可靠性[12].

5 结论

本研究基于Windows Mobile智能设备技术开发了手机端交通量采集程序，通过3G网络上传调查数据，并应用了云服务架构集中处理所有数据.手机端在调查中随时可下载统计图，了解当前路口的交通繁忙状态.云服务技术保证了系统的计算能力可弹性伸缩，提高了系统的可靠性.未来还可以应用物联网的无线传感技术感知车型，选用Windows CE操作系统的智能终端，从而实现交通量的自动采集.届时，系统将能按实时交通量自动优化红绿灯配时，以提高繁忙时段交叉口的通行能力，减少交通延误，达到智慧交通的要求.

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[3]胡立辉，田跃，盘善荣．公路交通量调查数据处理系统[J]．计算机工程， 2007,33(22)：280- 282．

[4]丁艺，徐锦强．VFP与EXCEL控制在交通量分析处理中的应用[J]．福建林学院学报，2002,22(3):232- 235.

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[8]颜桂梅，林宇洪，郭建钢．基于消费者决策心理的公交换乘算法的设计[J]．华东交通大学学报，2012，29(6)：102- 108．

[9]林宇洪．木材供应链追溯RFIC卡的设计[J]．西北林学院学报，2013，28(5)：175- 179．

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[12]颜桂梅，林宇洪，景林．基于神经网络物流配送企业人力资源绩效考核[J]．大连交通大学学报，2013， 34(3)：108- 112．

Design of Traffic Volume Calculation System based on Cloud Services

FENG Huiying1，LIN Yuhong2

(1.Humanity and Sociology Department,Fujian Forestry Vocational College,Nanping 353000,China;2.College of Transportation and Civil Engineering,Fujian Agriculture and Forest University,Fuzhou 350002,China)

In order to improve traffic volume acquisition and computing ability,a traffic volume calculation system based on cloud services was designed to process the urban traffic volume.In this system,the traffic volume counter program at the mobile-terminal was developed by applying Windows Mobile secondary development technology,and the uploading of raw traffic volume was realized through 3G network.The Excel VBA secondary development technology was adopted to generate the various statistical charts.During the working process,the investigators can download statistical charts to understand the real-time traffic volume and traffic flow at any time.The practice proves that this system has a good expansibility to deal with the traffic volume processing requirements of big cities.

cloud services;traffic volume；Windows Mobile；VBA

1673- 9590(2015)01- 0097- 04

2014- 08- 20

福建省教育厅科研资助项目(JA13391);南平市科技局科研资助项目(N2013R03)

冯惠英(1974-)，女，副教授，硕士，主要从事应用数学，智慧算法的研究

E-mail:redkite@126.com.

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